Red IP PGW UE

UE

eNode B

E-UTRAN EPC

SGW

MME eNode B

PCRF HSS

Sistemas de Conmutación

Telefonía Móvil

Dr. Ing. Álvaro Rendón Gallón Ing. Julián Eduardo Plazas Pemberthy

Basada en (Hurtado y Martínez, 2010)

Popayán, octubre de 2016

Universidad del Cauca Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones

Departamento de Telemática

2

Álvaro Rendón G.

2

Temario • Introducción

• GSM (Global System for Mobile Communications)

• GPRS (General Packet Radio Service) – Generalidades

– Arquitectura

– Servicios

• 3G (UMTS)

• 4G (IMT-A) y ¿5G?

3

Introducción

• Los usuarios desean transmitir algo más que voz (2G).

• Surgen diversas tecnologías para transmisión de datos en redes móviles, que marcan el camino hacia 3G: redes 2.5 G

http://computer.yourdictionary.com/gsm

4

Introducción

Compromisos: • Envío y recepción de datos desde y hacia redes

multiprotocolo

• Empleo de la infraestructura celular existente. Movilidad

• Mayor cobertura

• No interferencia con el servicio de voz

5

General Packet Radio Service (GPRS)

• Estándar del Instituto Europeo de Estándares en Telecomunicaciones (ETSI)

• Red superpuesta a las redes GSM e IS-136 (TDMA)

• Se actualizan algunos nodos de las redes GSM/TDMA para prestar el servicio

• La interfaz aérea es de paquetes de datos

• El núcleo de la red es IP

6

General Packet Radio Service (GPRS)

Velocidad • La velocidad de un canal (intervalo TDMA) depende

del esquema de codificación (CS): – CS-1: 8 Kbps, es el más robusto – CS-2: 12 Kbps – CS-3: 14,4 Kpbs – CS-4: 20 Kbps, es el menos robusto

• Se pueden combinar hasta ocho canales para mejorar la velocidad: 160 Kbps

7

General Packet Radio Service (GPRS)

Modos de operación

• Clase A: El terminal recibe servicio GSM (voz o SMS) y GPRS (datos) de manera simultánea.

• Clase B: El terminal puede estar registrado simultáneamente en las redes GSM y GPRS, pero solo puede tener activa una conexión al tiempo. El servicio GSM tiene prioridad sobre GPRS.

• Clase C: El terminal solo puede estar registrado a una de las redes. Normalmente son modems GPRS.

8

Actualización de la red GSM Elemento de red GSM Modificación o actualización para GPRS

Terminal de usuario Se requiere un terminal totalmente nuevo para acceder a los servicios GPRS, compatibles con GSM para llamadas de voz.

BTS Se requiere una actualización de software.

BSC

Se requiere una actualización de software, así como también de un nuevo equipo llamado PCU (Packet Control Unit) para dirigir el tráfico de datos hacia la red GPRS.

Núcleo de la red

Se requiere la instalación de nuevos elementos de núcleo de red llamados SGSN (Serving GPRS Support Node) y GGSN (Gateway GPRS Support Node).

Bases de datos (VLR, HLR y otras)

Todas requerirán actualizaciones para encargarse del nuevo modelo de llamadas y funciones introducidas por GPRS.

9

Internet

Arquitectura GPRS

VLR BTS

BTS BSC

MS

MS

MSC GMSC RTPC/ RDSI

GGSN

GGSN Red GPRS

Núcleo de Red GSM

Red de Acceso GSM/GPRS

SGSN

CG Billing

HLR AuC EIR

Red de Datos

SGSN - Serving GPRS Support Node GGSN - Gateway GPRS Support Node CG - Charging Gateway

Núcleo IP

10

Arquitectura GPRS

SGSN: Serving GPRS Support Node

Es el enlace con la red GSM

Envía y recibe los paquetes de datos de las estaciones móviles y gestiona las siguientes funciones con el soporte de las bases de datos de GSM (HLR, VLR, EIR, AuC):

– Autenticación

– Registro

– Control de acceso

– Movilidad

– Recolección de info. para tasación del uso de la interfaz aérea

BSC MSC

GGSN

GGSN Red GPRS

SGSN

CG Billing

HLR AuC EIR

Núcleo IP

11

Arquitectura GPRS

GGSN: Gateway GPRS Support Node

Es el enlace con las redes de datos (enrutador)

Contiene la información de enrutamiento de las estaciones móviles registradas.

Recoge información para tasación del uso de redes de datos externas

Internet

BSC MSC

GGSN

GGSN Red GPRS

SGSN

CG Billing

HLR AuC EIR

Red de Datos

Núcleo IP

12

Arquitectura GPRS

CG: Charging Gateway

Transfiere información de tasación desde SGSN y GGSN al Sistema de Facturación

Esta funcionalidad puede implementarse en un equipo centralizado o en forma distribuida en SGSN y GGSN

Internet

BSC MSC

GGSN

GGSN Red GPRS

SGSN

CG Billing

HLR AuC EIR

Red de Datos

Núcleo IP

13

Servicios

Localización de vehículos/Control de flotas

GPS GPRS GPRS

Seguimiento GPS

14

Telemetría

Cajeros Automáticos

Datáfonos inalámbricos

Servicios

15

Álvaro Rendón G.

15

Temario • Introducción

• GSM (Global System for Mobile Communications)

• GPRS (General Packet Radio Service)

• 3G (UMTS) – Tercera Generación

– UMTS

• 4G (IMT-A) y ¿5G?

16

Tercera Generación

Limitaciones de 2G • Centrada en la voz

– Diseñada para aplicaciones de telefonía – Esquema de conmutación de circuitos – BER (Bit Error Rate) alto – Baja velocidad de datos (≤ 14,4 Kbps)

• Demasiados estándares en el mundo

– GSM, CDMA, PDC (Japón), PHS (Japón, China), …

• Redes aisladas – Basadas en señalización MAP/SS7 – Basadas en señalización IS-41/SS7 – Dificultad para hacer itinerancia entre estas redes

(Aziz et al., 2006)

17

Tercera Generación

Acciones iniciales: • Desde 1985 se establecieron en la UIT grupos de

trabajo para buscar solución a estas limitaciones

• La UIT impulsó un proyecto de amplia cooperación internacional conocido como IMT-2000 o Telecomunicaciones Móviles Internacionales 2000, más adelante también conocidos como Sistemas Móviles de Tercera Generación o 3G

18

Tercera Generación

Aspectos claves: • Alto grado de uniformidad de diseño a escala mundial

• Itinerancia (roaming) mundial

• Capacidad para aplicaciones multimedia y una amplia gama de servicios y terminales (ej. video y teleconferencia, Internet de alta velocidad, voz y datos de alta velocidad, datos hasta 2 Mbps)

19

Tercera Generación

Qué es 3G? • Es la tercera generación de tecnologías para redes

móviles, que sustituye a 2.5 G

• Permite a los operadores ofrecer servicios como telefonía inalámbrica, videollamadas y datos inalámbricos de banda ancha en un entorno móvil

• Provee velocidades de datos de canal de hasta 14,4 Mbps de bajada y 5,8 Mbps de subida

• Basada en la familia de estándares IMT-2000 de UIT

• 3GPP (3rd Generation Partnership Project) continuó el trabajo definiendo un sistema que cumple el estándar: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

(Aziz et al., 2006)

20

Tercera Generación

3GPP (3rd Generation Partnership Project) Acuerdo de colaboración entre organismos de estandarización de telecomunicaciones:

– European Telecommunications Standards Institute (ETSI) – Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS) (USA) – Association of Radio Industries and Businesses/

Telecommunication Technology Committee (ARIB/TTC) (Japón) – Telecommunication Technology Committee (TTC) (Japón) – China Communications Standards Association (CCSA) – Telecommunications Technology Association (TTA) (Corea del Sur)

Establecido en 1998 para producir especificaciones técnicas para sistemas 3G basados en IMT-2000.

En la actualidad trabaja en sistemas 4G.

Sus estándares se estructuran como Entregas (Releases)

21

Tercera Generación

Visión de 3G • Espectro común en todo el mundo:

1.920-1.980 MHz y 2.110-2.170 MHz

• Amplia gama de nuevos servicios

• Centrado en los datos (como Internet) y orientado a multimedia

• Velocidades de datos de hasta 2 Mbps

• Itinerancia (roaming) global transparente

• Seguridad y rendimiento mejorados

• Soporte a una variedad de terminales (de PDA a PC de escritorio)

• Uso intensivo de tecnologías de Red Inteligente

(Aziz et al., 2006)

22

Requisitos de transmisión de datos:

Velocidad de datos ambiente móvil

144 Kbps

Velocidad de datos caminando

384 Kbps

Velocidad de datos ambiente interior

2 Mbps

Fuente: Adaptado de UWCC

Tercera Generación

Macrocelda: muy alta velocidad (<500 km/h), exteriores

Macro/microcelda: velocidad de peatón o moderada (<120 km/h), exteriores

Picocelda: exteriores o interiores, alcance corto

23

Tercera Generación

Aplicaciones

• Para el consumidor – Flujos de video, estaciones de TV

– Videollamadas, videoclips: noticias, música, deportes

– Juegos mejorados, chat, servicios de localización

• Para los negocios – Teletrabajo a alta velocidad, acceso VPN

– Automatización de la fuerza de ventas

– Videoconferencia

– Información financiera en tiempo real

(Aziz et al., 2006)

24

Tercera Generación

Evolución a 3G

http://computer.yourdictionary.com/gsm

25

Tercera Generación

EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) Básicamente es una actualización para las redes

GSM/GPRS e IS-136/GPRS que opera sobre el mismo espectro

Está basado en la misma técnica de acceso (TDMA) y realiza procesos adicionales para optimizar la utilización del espectro y permitir tasas de transferencia de datos más altas: 384 Kbps

26

Tercera Generación

CDMA2000 (1X) • Primera evolución de CDMA.

• Trabaja sobre el mismo espectro de CDMAOne (1.25 MHz).

• Permite obtener velocidades de hasta 144 Kbps.

UMTS • Utiliza WCDMA en la interfaz aérea

• Especificado por 3GPP bajo el estándar IMT-2000

• Basado en los conceptos de GSM/EDGE

• Utiliza un espectro de 5 MHz (4 veces el de CDMA2000 y 24 veces el de GSM)

27

UMTS (3G) Universal Mobile Telecommunications System

Arquitectura de la Red

3G GMSC

VLR

HLR AuC EIR

GGSN

UTRAN

RNS

RNC Node B

Node B

RNS

RNC Node B

Node B

CN

Dominio Cx Circuitos

Dominio Cx Paquetes

Registros

3G MSC

SGSN

RTPC/ RDSI

Red de Datos

Uu Iu

Iur

UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network CN: Core Network RNS: Radio Network Subsystem RNC: Radio Network Controller

Internet Intranet FR, ATM,..

UE

UE

UE

28

UMTS (3G)

Dos componentes fundamentales:

• Red de acceso (UTRAN – Universal Terrestrial Radio Access Network):

Establece las conexiones entre las estaciones móviles y el resto de la red. Se compone de: – RNC (Radio Network Controller): Su función básica es

controlar los recursos de radio: asignar frecuencias, controlar los niveles de potencia, gestión de códigos.

– BTS node: Sirve una celda específica y es controlado por RNC

• Núcleo de la red (Core Network):

En líneas generales, mantiene la estructura de una red núcleo GSM con capacidades GPRS. Por lo tanto, es una red habilitada para servicios de voz y datos.

3.9G

29

3.5G

4G

2G

3G

2.5G

Evolución de 3GPP

Phase 1 (1992) a Release 96 (1997): GSM

Rel. 97 (1998): GPRS

Rel. 98 (1998): EDGE

Rel. 99 (2000): UMTS/WCDMA

Rel. 5 (2002): HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)

Rel. 6 (2005): HSUPA (High Speed Uplink Packet Access)

Rel. 7 (2007): HSPA+ (Evolved High Speed Packet Access)

IMS (IP Multimedia Subsystem)

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

Rel. 8 (2008): LTE (Long Term Evolution)

Rel. 9 (2009): Interoperabilidad LTE/WiMAX

Rel. 10 (2011): LTE Avanzada

30

Álvaro Rendón G.

30

Temario • Introducción

• GSM (Global System for Mobile Communications)

• GPRS (General Packet Radio Service)

• 3G (UMTS)

• 4G (IMT-A) y ¿5G? – LTE (Previo a 4G)

– IMT-A (International Mobile Telecommunications-Advanced)

– ¿Cómo será 5G?

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LTE (pre-4 G)

Long Term Evolution • Es la evolución de 3G (UMTS) hacia 4G

• El 3GPP empezó a trabajar en LTE en 2004

• Fue estandarizada en la Release 8 (2008)

• Aunque no cumple los requerimientos establecidos por la UIT-R (IMT Avanzada), se promociona como 4G: – Velocidad pico de datos de hasta 1 Gbps – Funcionalidad e itinerancia (roaming) a nivel mundial (y entre

redes de distinto tipo) – Compatibilidad de servicios – Interfuncionamiento con otros sistemas de acceso por radio

(e.g. WiMAX) (1) http://www.itu.int/ITU-R/index.asp?category=study-groups&rlink=rsg5-imt-advanced&lang=es

32

LTE (pre-4 G)

Características • Velocidad pico de datos

– 100/50 Mbps DL/UL (ancho de banda de 20 MHz)

• Hasta 200 usuarios activos en una celda (5 MHz)

• Latencia en el plano de usuario de menos de 5 ms

• Optimizado para el dominio de datos por paquetes, soportando VoIP

• Movilidad (handover) – Optimizada para 0 – 15 Km/h – 15 – 120 Km/h soportada con alto rendimiento – Soportado hasta 350 Km/h

• Flexibilidad del espectro: 1,25 – 20 MHz

• Soporte mejorado para QoS terminal a terminal

• Celdas de hasta 100 Km

(Myung, 2008)

DL: Downlink UL: Uplink

33

LTE (pre-4 G)

Tecnologías habilitantes • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing):

Usado en enlaces de bajada

• SC-FDMA (Single Carrier FDMA): Enlaces de subida

• Antenas MIMO (Multi-Input Multi-Output)

• Ecualización en el dominio de la frecuencia

• Planificación de recursos multiportadora dependiente de canal

• Reuso fraccional de frecuencias

(Myung, 2008)

34

LTE (pre-4 G) Arquitectura de la red

Aplanada (RNC en eNB), completamente IP UMTS LTE

UTRAN

Packet Core

E-UTRAN

EPC

MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: Packet GW EPC: Evolved PC E-UTRAN: Evolved UTRAN e-NB: E-UTRAN Node-B (BTS)

NB NB NB NB

GGSN

RNC RNC

SGSN MSC

Circuit Core

35

LTE (pre-4 G)

Arquitectura de la red La evolución de UMTS se da en dos partes • En el Núcleo de la Red. Responde al avance mundial

hacia las aplicaciones de paquetes de datos (Internet) EPC soporta la convergencia de servicios basados en

paquetes de tiempo real (VoIP) y no tiempo real

• En la Red de Acceso. Responde a las necesidades de mayor ancho de banda inalámbrico

E-UTRAN ofrece alta velocidad, baja latencia y un acceso de radio optimizado para paquetes

(Lescuyer and Lucidarme, 2008)

Vocabulario de 3GPP: E-UTRAN es referido como LTE (Long Term Evolution) EPC es referido como SAE (System Architecture Evolution) La evolución de UMTS es referida como EPS (Evolved Packet System)

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LTE (pre-4 G) Arquitectura de la red

MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway (3GPP Anchor) P-GW: Packet Data Network Gateway (SAE Anchor) HSS: Home Subscriber Server PCRF: Policy and Charging Rules Function

Internet, IMS, Redes Corporativas

Red IP PGW UE

UE

eNode B

E-UTRAN EPC

SGW

MME eNode B

PCRF HSS

GERAN

UTRAN

SGSN

GSM

UMTS

GERAN: GSM EDGE Radio Access Network SGSN: Serving GPRS Support Node

37

LTE (pre-4 G)

Arquitectura de la red • MME (Mobility Management Entity). Gestiona:

– Procedimientos de seguridad (autenticación y cifrado) – Sesión Terminal-Red (establ. de conexiones y QoS) – Movilidad (localización del terminal)

• S-GW (Serving Gateway). Terminación de la interfaz de paquetes de datos hacia E-UTRAN. Ancla el plano de usuario para movilidad entre el acceso LTE y los accesos 2G/3G.

• P-GW (Packet Data Network Gateway). Terminación de la interfaz de paquetes de datos hacia Redes de Paquetes de Datos. Ancla el plano de usuario para movilidad entre los accesos de sistemas 3GPP y los accesos de sistemas no 3GPP.

• HSS (Home Subscriber Server). Conjuga HLR y AuC.

• PCRF (Policy and Charging Rules Function). Gestiona las reglas para determinar el acceso y uso de los recursos por el usuario, y su facturación.

(Lescuyer and Lucidarme, 2008)

VoLTE

Compatibilidad con las redes:

• CSBF (Circuit-Switched FallBack): Separar el sistema de

datos (LTE) del sistema de voz (GSM / UMTS), no permite

conexión simultánea.

• SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity): Trabaja con

CSBF y otros métodos de VoLTE para permitir la

continuidad en las llamadas al entrar en redes no LTE.

Fernando Mendioroz

38

VoLTE

Compatibilidad con las redes:

• VoLGA (Voice over LTE Generic Access): El sistema de

datos y de voz funcionan sobre la misma red, pero la

interfaz aérea emula una red GSM, por lo que terminales

LTE y no LTE se pueden conectar.

Fernando Mendioroz

39

VoLTE

VoLGA

Fernando Mendioroz

40

VoLTE

Compatibilidad con las redes:

• VoIMS (Voice over IMS): Permite ofrecer servicios de

telecomunicaciones básicos y avanzados, además de datos,

utilizando únicamente el EPC y el IMS, sin importar

realmente el acceso (orientación NGN).

Fernando Mendioroz

41

VoLTE

VoIMS

Fernando Mendioroz

42

Gxc

S6a

S5/S8

S11

SWx

LTE-Uu

Rx

SGi/Gm

INTERNET

SGi

Sh

Cx

ISC

IMS

S6b

LTE-EPC

Servicios IP

AAA

eNodeB

MME PCRF

S-GW

S1-U

AS

P-GW

HSS

I-CSCF

P-CSCF

S-CSCF

IP

IMT-A (True 4G / 4.5 G)

43

IMT-A 44

Requerimientos específicos

• Basado completamente en IP (sólo conmutación de paquetes).

• Interoperabilidad con otros estándares.

• Transmisión de datos a 1Gb/s cuando se está quieto y a 100Mb/s cuando se mueve a altas velocidades.

• Asignación de recursos dinámica para soportar más usuarios simultáneos por celda.

• Canal de ancho de banda escalable (5-20 MHz).

• Eficiencia espectral de 15 – 6,75 bits/s/Hz en DL – UL.

• Alta compatibilidad con otros sistemas inalámbricos que permita la itinerancia a nivel global.

• Capacidad para ofrecer una QoS alta en servicios multimedia.

(Rumney, 2008)

IMT-A 45

Tecnologías principales

• MIMO multi-antena y multi-usuario (MIMO cooperativo).

• Turbo-códigos con corrección automática de errores.

• Planificación basada en canales.

• Adaptación de enlace, o codificación y modulación adaptativa.

(Rumney, 2008)

IMT-A 46

Predecesores directos

• LTE

• Mobile WiMAX

• WiBro

• Ultra Mobile Broadband

• Flash-OFDM

• iBurst

IMT-A 47

Candidatos

• LTE-Advanced

• WiMAX 2 (WiMAX-Advanced)

¿5G? 48

Pilares guía

• Acceso inalámbrico heterogéneo para la conformación de redes ultra-densas.

• Flexibilidad en la red definida por software.

• Sistemas de operación y gestión simplificados y centrados en el usuario.

(Monserrat et al., 2016)

¿5G? 49

Un ejemplo temprano:

Project fi, de Google

• https://fi.google.com/about/network/

• https://www.youtube.com/watch?v=7yIPiJipPDc

50

Álvaro Rendón G.

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Bibliografía • B. Walke, R. Seidenberg and M. P. Althoff (2003). "UMTS: The Fundamentals".

Ch. 4 "UMTS System Architecture". John Wiley & Sons, Chichester, U. K. • Z. Aziz, S. Hussain, K. Kumar (2006). "3G And Beyond". Regional Telecom Training

Centre Rajpura (RTTC), Rajpura, India. • J. Eberspächer, H.-J. Vögel, C. Bettstetter, C. Hartmann (2009). "GSM:

architecture, protocols and services", 3rd Ed., John Wiley & Sons, Chichester, U. K. • GSMA (2010). "GSM World Coverage". GSM Association & Europa Technologies Ltd.

http://www.coveragemaps.com/gsmposter_world.htm • GSMA (2011). "Market Data Summary". GSM World.

http://www.gsmworld.com/newsroom/market-data/market_data_summary.htm • R. Herradón (2007). "Comunicaciones Móviles. GSM". OpenCourseWare de la

Universidad Politécnica de Madrid. http://ocw.upm.es/teoria-de-la-senal-y-comunicaciones-1/comunicaciones-moviles-digitales

• J. A. Hurtado y F. O. Martínez (2010). "Redes Móviles". Transparencias. Universidad del Cauca.

• A. Kavak (2008). "Mobility Management, Call Routing & Security". GSM Systems, Lecture 5, Kocaeli University, Izmit, Turkey.

• P. Lescuyer and T. Lucidarme (2008). “Evolved Packet System (EPS): The LTE and SAE Evolution on 3G UMTS”. John Wiley & Sons, Chichester, U. K.

• H. G. Myung (2008). “Technical Overview of 3GPP LTE". http://www.scribd.com/doc/5539254/3gpp-LTE-Overview

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Álvaro Rendón G.

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Bibliografía • Moray Rumney, "IMT-Advanced: 4G Wireless Takes Shape in an Olympic Year",

Agilent Measurement Journal, September 2008. • Jose F. Monserrat, Irene Alepuz, Jorge Cabrejas, Vicente Osa, Javier López,

Roberto García, María José Domenech and Vicent Soler, “Towards user-centric operation in 5G networks”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (2016).